三维数字化协同技术在电厂设计中应用研究

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1、中国电机工程学会电力建设专委会 2014 年学术年会论文集 1 三维三维数字化数字化协同协同技术技术在电在电厂厂设计设计中中的的应用应用研究研究 李大茂 张科奇 湖北省电力勘测设计院，湖北 武汉，430040 摘摘 要：要：依据电力行业对数字化协同设计的普遍认识，参考中国电力规划设计协会所制定的规范，以湖北省 电力勘测设院、 江西省电力设计院为代表的一批设计院把数字化协同设计分解成了以下四个阶段： 项目订制、 系统设计、布置设计、详图设计，本文就四段式协同设计的理论依据与实践方法做了研究与实践。 关键词关键词：数字化协同设计、四段式设计、布置设计、协同设计 1 引言 数字化协同设计的过程被分为

2、四个阶段：项目订制、系统设计、布置设计、详图设计。 项目订制包含以下几个部分的内容：项目的 WBS、相关人员权限的划分，相关数据服务的建 立以及各项标准的订制。系统设计主要指 P&ID 图的设计。布置设计包含以下几个部分的内 容：一.对全厂内的各种设备、建筑、结构等实体建立三维模型；二.在所建立的模型上附加 各种设备、建筑、结构等实体的技术参数指标，完成附加后即得到了各类实体的数字化三维 模型；三，对所建立的数字化模型之间的关系作出详细的定义。在布置设计过程中亦包含信 息模型的协同 1、各个专业间提资的流程2、并行设计3等技术的实现。详图设计：指在布置 设计阶段所生成的数字化模型的基础上，通过

3、剖切以及抽取得到平、立、剖图以及 ISO 图。 纵观四段式设计，核心在于系统设计，重点在于布置设计，本文以湖北省电力勘测设计院三 维工程实践为例，研究三维数字化协同技术在电厂设计中的应用方法。 2 湖北省电力设计院采用的三维设计模块 湖北院采取下图所示的软件模块作为三维设计的软件架构，此架构分为三个子模块，分 别是：协同模块（ProjectWise） ，设计模块（MicroStation） ，计算模块为主的其他功能模块。 图 1 模块架构图 中国电机工程学会电力建设专委会 2014 年学术年会论文集 2 3 项目工作流程 根据三维协同的特点和要求，制定了项目工作流程，其示意图如下。 图 2 工

4、作流程示意图 4 系统设计 系统设计是电厂工艺设计的核心，也就是 P&ID 工艺流程图的设计。 通过 P&ID 完成以下需求： 定制（需强行遵守）制图标准（图层、颜色、线型、线宽、符号等) 使用工业标准符号库 （软件附带，也可使用公司自定义的标准） 可自定义查看和生成报表的功能 数据转换工具可把现有数据（如 DWG 文件）转为智能的 P&ID 格式 如前所述，项目开始之前，首先确定本项目使用的标准，完成数据的前期准备工作。现 已有国内电力行业常规标准符号库，可以套用，当有特殊需求时，可以根据规则进行修正。 软件系统安装后，随机附有如下： ANSI JIS 设计过程参考下图： 中国电机工程学会电

5、力建设专委会 2014 年学术年会论文集 3 图 3 P&ID 工作流程示意 首先利用的绘制工具绘制出强制遵守制图标准（图层，颜色，线宽等)的工艺系统及 仪表图。 利用软件提供的逻辑检查功能对项目范围内的所有 P&ID 图进行检查。排除各种逻辑 错，如管件是否缺少关键属性；管线，设备和阀们是否重复编号；止回阀方向是否与管线流 向一致等等。 最后从图中得到各种报表，如：管线清单，阀门清单，设备清单。报表的产生可以按 单张图进行统计，也可以将整个工厂的所有 P&ID 汇总到一起，一次性产生。借助于 Data Manager，可以对这些数据进行统一管理。 根据项目需要， 可以把 P&ID 图中的必要

6、信息通过 Bentley Data Manager 产生由 P&ID 确定的可用管件选择列表， 传递到 PSDS 或 OpenPlant 中供 3D 管道设计时使用。 此时在 PSDS 或 OpenPlant 中布置三维模型时，只能选择到在 P&ID 系统中被定义过的管件及对应的参数， 有效的避免了系统流程图与三维模型管件规格、参数不一致导致的错误。 中国电机工程学会电力建设专委会 2014 年学术年会论文集 4 图 4 P&ID 项目数据库结构 图 5 智能的 P&ID 图 Bentley PlantSpace Design Series 参考图 /设置属 性 放置在模型 MicroStat

7、ion V8 2004 Schematics EC Bentley OpenPlant DGN (& JSM when 项目数据项目数据 Hookups DataManager Datasheets Instrumentati on Visio 最小配置 * 附加模块 基于模块的许可 DataManager包含强大的在关 系数据库中创建项目数据的 工具。 数据库可以是Access, MSDE, SQL Server 或 ORACLE 。 可用管件可用管件 挑选列表挑选列表 中国电机工程学会电力建设专委会 2014 年学术年会论文集 5 图 6 P&ID 报表流程示意 图 7 P&ID 管线报表

8、清单 图 8 P&ID 阀门报表清单 5 布置设计 5.1 创建轴网 中国电机工程学会电力建设专委会 2014 年学术年会论文集 6 作为电厂设计的主要专业，机务专业首先协同其他专业建立统一的坐标系统和确定坐标 原点 4，亦即建立轴网。 图 9 坐标原点及轴网的确定 轴网是由 PSDS 或 OpenPlant 提供的 Column Line 工具完成，轴网原点的位置一经确定， 不会轻易更改。 图 10 附加轴网至数据库 确定后的轴网，通过 Append 命令将其加载到数据库中。轴网信息将在支吊点平面轴线定 位图例中使用。 中国电机工程学会电力建设专委会 2014 年学术年会论文集 7 图 11

9、 支吊点平面轴线定位图 轴网文件确定后，将其保存为一个独立的文件，并将其权限设定为“只读” 。当相关设计 人员需要使用轴网或坐标系统时，通过文件参考引用的方式连接到当前文件中使用。 通过统一的轴网保证了所有专业在模型组装时相对位置完全正确，这是多专业三维协同 作业的一个基础保障。 5.2 创建三维设备模型 设备模型的文件划分规则应在项目策划阶段确定，根据项目规模的大小，可以将本专业 的所有设备放置在一个文件中（小规模项目） ，也可以按系统或区域将其分别放置在不同的文 件中（中、大规模的项目） ，甚至可以采用 MCS（模型控制系统）功能，将所有模型压缩进 数据库中。 本实践主要解决的是设备空间布

10、置的问题，而不是做机械设备设计的。它所关注的问题 是设备的外形尺寸、定位尺寸、接口尺寸、检修预留空间、设备操作运行空间、设备相关属 性，例如：设备编码、规格型号、处理能力、设备重量等。而不是设备零部件的大小、装配 关系。因此，在建立设备模型时，设备的外形尺寸、定位尺寸、接口尺寸一定要精确建模， 而内部细节可以在保证一定美观相似的情况下尽量简化，这一点对于大型项目尤为重要。 模型由三种渠道获得，它们分别是： 1) 通过系统系统提供的参数化模型（预定义了符合工业规范的参数化设备库，同时允 许用户自定义） 。 中国电机工程学会电力建设专委会 2014 年学术年会论文集 8 图 12 参数化设备模型

11、2) 利用 MicroStation 平台的三维建模功能创建模型，然后将其定义为具有设备属性的 设备单元。 图 13 MicroStation 平台创建的模型 3) 通过转换，接收第三方三维设计软件创建的三维模型，然后将其定义为具有设备属 性的设备单元。 （例如：SolidWorks、Inventor、Pro-E、AutoCAD 等） 中国电机工程学会电力建设专委会 2014 年学术年会论文集 9 图 14 第三方三维设计软件创建的三维模型 在设备属性表中用户可以方便地增加和修改所需的各项设备属性， Object Reporter 提供了 生成各类报表清单的工具，它有集成化的界面，与数据库有机

12、地连接，用户可以定义、编辑、 修改报告和明细表的形式。 各类设备， 都可以组装到 OpenPlant 或 PSDS 三维环境下进行浏览， 参与碰撞检查。 通过使用 PSDS Equipment 或 OpenPlant Equipment 的管嘴管理工具，来管理各类设备上 的管嘴参数。可以通过表格输入，定义和编辑设备的管嘴。 图 15 PSDS Equipment 管嘴管理工具 5.3 创建三维管道模型 使用 PSDS Piping 或 OpenPlant Piping 模块完成三维管道建模。与设备模型一样，管道模 型的划分规则应在项目策划阶段确定，根据项目规模的大小，可以采用按系统划分模型或按

13、 区域划分模型。也可以将全厂的管道模型通过 MCS（模型控制系统）的功能，压缩进数据库 （Microsoft SQL Server 或 Oracle）中。 管道的建模可以按智能中心线（Intelligent Line）法放置，也可以按单一管段、管件分别 中国电机工程学会电力建设专委会 2014 年学术年会论文集 10 放置。在布置管件时，系统能自动检测管件属性（尺寸、spec、端面、等级等）的一致性，如 有不一致的属性出现，会自动发出提示信息，并禁止管件放置。 管件的属性信息在放置完成后，被自动保存在对象模型中。用户可以根据工程项目需求， 方便地增加、修改所需的属性项。所有这些属性都可以被统计

14、到材料报表中。 属性项的定义，一定要在项目前期策划阶段完成，在项目执行阶段不要轻易更改，否则 将会影响到修改之前布置的管件，在后期出图及综合应用阶段产生错误。 图 16 调整后的管件属性项 5.4 创建三维建筑、结构模型 建筑、结构建模使用 AECOsim 模块完成。 Bentley 三维建筑设计系统（Bentley AECOsim）是一套采用面向对象技术，多专业集成 的专业应用软件系统。系统的一个最重要特点是：建立全信息三维模型作为设计的唯一数据 源，所有的二维图纸、统计报告以及其它成果（如可视化表现）都是通过这个唯一的数据源 生成，这种方式保障了结果的一致性。 本实践使用了完备的中国标准库

15、，使用中能够方便迅速的从预先定义的库中快速地挑选 参数化的墙体、门窗、卫生洁具等建筑对象。 通过使用系统的自动关联功能，非常好的保持了建筑部件间的关联拓扑关系，可自动判 断建筑对象之间的标准链接关系。当设计人员修改建筑的某一处的时候，与之关联的部分能 够自动发生变化，节省了大量的模型修改工作量，实现了“一处修改，关联变化” ，保障了设 计人员能够有更多的时间去关注设计本身，而不是如何绘图。 中国电机工程学会电力建设专委会 2014 年学术年会论文集 11 图 17 二维和三维关联并存 建筑、结构专业的三维模型，在完成方案设计之后就能够被所有的其它相关专业作为背 景模型参考使用，在三维协同设计中

16、作为其它相关专业的重要设计依据。其他专业可以随时 利用三维建筑、结构模型进行布置设计时的辅助定位、碰撞检查，在整个设计阶段尽可能的 减少碰撞，提高设计效率、设计质量。 图 18 面向对象的建筑专业工具集 建筑专业在准备阶段仅得到机务专业一次提资图，因此建筑仅完成建筑外墙及各层部分 内墙模型，待项目进展深入，将进一步细化模型。 建筑模型按外墙和内墙划分成两个模型最后通过文件参考组装完成。操作步骤如下： 在 AECOsim 操作环境下创建一个新文件 （选择项目统一的种子文件） ， 例如： 建筑.dgn 参考项目唯一的轴网文件以确保坐标系唯一。 根据机务专业提供的一次资料图完成外墙模型的创建。包括墙体、门窗、散水、屋面 等。 在一个新的文件中或新的“模型空间” （Model）中，完成建筑内墙模型的创建。 与建筑模型类似，结构模型也是根据机务专业一次提资资料创建，也将随项目进展进一 步细化。 结构模型除了可以通过交互的方式，利用系统提供的面向对象的工具快速创建以外，还 中国电机工程学会电力建设专委会 2014